charakterystyka aktualnych zanieczyszczeń - Eko-DOk

zanieczyszczenia komunikacyjne, podatność magnetyczna, metale ciężkie
Małgorzata WAWER, Marcin SZUSZKIEWICZ, Tadeusz MAGIERA*
CHARAKTERYSTYKA AKTUALNYCH ZANIECZYSZCZEŃ
KOMUNIKACYJNYCH WIERZCHNICH WARSTW GLEBY
STREF PRZYDROŻNYCH NA GÓRNYM ŚLĄSKU
Celem projektu jest jakościowe rozpoznanie emitowanych współcześnie zanieczyszczeń
komunikacyjnych, które deponowane są w wierzchnich warstwach gleby stref przydrożnych.
Prowadzone dotychczas badania pokazywały jedynie ilość zanieczyszczeń nagromadzonych w glebie
przez długi okres czasu, bez możliwości oceny zmian jakościowych w rodzaju depozycji i określenia
aktualnej struktury zanieczyszczeń komunikacyjnych. Aby poznać aktualne zagrożenia płynące ze
źródeł komunikacyjnych, w trzech miastach założono poletka monitoringowe, usytuowane w różnych
odległościach od krawędzi dróg charakteryzujących się dużym natężeniem ruchu. W glebie strefy
przydrożnej, została usunięta 7-centymetrowa wierzchnia warstwa i zastąpiono ją pudełkami
wypełnionymi piaskiem kwarcowym o właściwościach diamagnetycznych i niskiej (dokładnie
oznaczonej) zawartości metali. Piasek ten traktowany jest jako neutralna matryca dla akumulacji
zanieczyszczeń drogowych. Analizy chemiczne wykonane po 12 miesiącach ekspozycji, wykazują
znaczny wzrost zawartości metali ciężkich w badanym piasku. Zaobserwowany został również wzrost
wartości podatności magnetycznej. Charakterystyczny był spadek zawartości metali ciężkich oraz
wartości podatności magnetycznej wraz ze wzrostem odległości od krawędzi drogi.
1.WSTĘP
Zarówno samochody jak i sama droga są emitorami zanieczyszczeń w formie
pyłów i aerozoli zawierających metale ciężkie i wielopierścieniowe węglowodory
aromatyczne (WWA). Źródłem tych zanieczyszczeń są nie tylko spaliny ale również
ścieranie asfaltu, opon i metalowych części samochodów, okładzin hamulcowych itp.
Ilość oraz struktura zanieczyszczeń komunikacyjnych emitowanych do powietrza
________
*
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, ul. M. Curie-Skłodowskiej 34,
41-819 Zabrze, [email protected]
638
M. WAWER i in.
i gleby zmienia się wraz z rozwojem technologicznym silników samochodowych oraz
zmianami w składzie paliw.
Jeszcze do niedawna jednym z głównych produktów spalania paliw był ołów [16;
3; 5; 11]. Jednak ostateczne wycofanie go ze składu benzyny w 2005 roku sprawiło, że
jego znaczenie jako głównego metalu emitowanego do atmosfery przez transport
samochodowy zmalało [5]. Obecnie, wśród typowych emisji komunikacyjnych,
zwiększył się udział metali z grupy platynowców. Wiąże się to z wprowadzeniem do
użytku katalizatorów zawierających platynowce jako składniki aktywne [11; 8].
Emisje samochodowe są również źródłem cząstek magnetycznych. Wykazał to
Hunt i in. [7], a następnie potwierdzili Hoffman i in. [6] oraz Bućko i in. [2]. Cząstki
te znajdują się w sadzy, pochodzą z procesów korozji i ścierania się części
metalowych, okładzin hamulcowych, opon oraz nawierzchni drogi.
Obecność cząstek magnetycznych w badanym materiale potwierdzana jest poprzez
pomiary podatności magnetycznej, która jest łatwo mierzalną wielkością geofizyczną
opisującą zdolność substancji do zmian namagnesowania pod wpływem zewnętrznego
pola magnetycznego. Magnetometria już od lat 80. jest z powodzeniem stosowana do
określania stopnia zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi [1; 14; 15; 9]. Związek
pomiędzy wzrostem podatności magnetycznej górnej warstwy gleby a zawartością
poszczególnych metali ciężkich wykazali Beckwith i in. [1], Hunt i in. [7] a następnie
Strzyszcz [13].
W pracy prezentowane są wstępne wyniki uzyskane po pierwszym roku trwania
projektu. Jego celem jest jakościowe rozpoznanie zanieczyszczeń emitowanych
aktualnie przez źródła komunikacji samochodowej i deponowanych w wierzchnich
warstwach gleb przydrożnych. Badania prowadzone dotychczas pokazywały jedynie
ilość zanieczyszczeń nagromadzonych w glebie przez długi okres czasu, bez
możliwości oceny zmian jakościowych w rodzaju depozycji i określenia aktualnej
struktury zanieczyszczeń komunikacyjnych.
2.OBIEKTY BADAŃ
Badaniami objęto trzy poletka monitoringowe. W Zabrzu i Gliwicach założone są
przy drodze o średnim natężeniu ruchu 8450 sam./dobę i średniej prędkości
przekraczającej 90 km/h, natomiast w Opolu przy drodze o średnim natężeniu ruchu
11640 sam./dobę i średniej prędkości również przekraczającej 90 km/h. Wszystkie
trzy poletka usytuowane są w miejscach, gdzie auta zwalniają bądź nabierają
prędkości. Średnie roczne sumy opadów dla miejsc lokalizacji poletek wynoszą
powyżej 700 mm, jednak w roku 2011, w którym prowadzone były badania nie
przekroczyły one wartości 500 mm. Poletka o wymiarach ok. 6 x 0,25 m,
zlokalizowane ok. 1 m od krawędzi jezdni i usytuowane równolegle do niej,
Charakterystyka aktualnych zanieczyszczeń komunikacyjnych wierzchnich warstw gleby …
639
wypełniono płukanym piaskiem kwarcowym (zawartość kwarcu pow. 95%)
o granulacji 0-1 mm, o znanych parametrach chemicznych i magnetycznych. Pozwala
to na śledzenie jakichkolwiek zmian związanych z depozycją zanieczyszczeń.
Dodatkowo w Zabrzu założono dwa mniejsze poletka oddalone o 4 i 8 m od jezdni
aby móc określić zasięg wpływu emisji komunikacyjnych.
3.METODYKA
Pierwszym etapem badań było założenie poletek monitoringowych. Aby określić
najbardziej optymalne miejsce dla umiejscowienia poletka, dokonano wstępnych
terenowych pomiarów podatności magnetycznej za pomocą czujnika MS2D
Bartington. Podczas zakładania poletek usunięto 7 cm wierzchniej warstwy gleby
i zastąpiono ją rzędem perforowanych pudełek wyłożonych geowłókniną
i wypełnionych piaskiem kwarcowym o znanym składzie chemicznym i mającym
właściwości diamagnetyczne. Piasek ten traktowany jest jak neutralna matryca, na
której akumulowane są zanieczyszczenia pochodzące ze źródeł komunikacyjnych.
Usunięta gleba została poddana pomiarom podatności magnetycznej oraz analizom
na zawartość metali ciężkich w celu określenia jej zanieczyszczenia będącego efektem
wieloletniej depozycji. Matryca piaskowa eksponowana na poletkach, co trzy miesiące
poddawana jest pomiarom podatności magnetycznej a raz do roku analizom
chemicznym. Analizuje się osobno wierzchnią warstwę o grubości ok. 2 cm oraz
uśrednioną próbkę piasku z wnętrza pudełek.
W pobranych próbkach gleby oraz w piasku zmierzono, przy użyciu
laboratoryjnego czujnika magnetycznego MS2B Bartington, podatność magnetyczną.
Następnie na jej podstawie obliczono masową podatność magnetyczną (χ), która
uwzględnia gęstość próbki.
Analiza zawartości metali ciężkich (Fe, Mn, Zn, Pb, Cd, Cu, Cr, Ni, Co) w glebie
i piasku została wykonana po wcześniejszej ekstrakcji wodą królewską, metodą
absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA) zgodnie z normą Państwowego
Monitoringu Środowiska [12].
4.WYNIKI
Wstępne analizy gleb pobranych w miejscu założenia poletek monitoringowych
wykazały, wysokie zawartości żelaza, manganu, cynku i ołowiu. Największe wartości
podatności magnetycznej χ oraz zawartości metali ciężkich wystąpiły w Zabrzu.
Biorąc pod uwagę wartości graniczne przewidziane dla terenów komunikacyjnych
640
M. WAWER i in.
(Dz.U.02.165.1359), żadna z pomierzonych zawartości metali ciężkich nie
przekroczyła poziomu dopuszczalnego.
Tabela 1. Masowa podatność magnetyczna oraz zawartości metali ciężkich w piasku z poletek w Opolu
(Op) i Gliwicach (G) po roku depozycji
Nr
próby
mg/kg
χ
×10 (m3kg-1)
Fe
Mn
Zn
Pb
Op1
32,4
2605
34,5
25,5
Op2
10,2
1065
12,5
11,0
Op1b
0,3
910
9,5
–8
Cd
Cu
Cr
Ni
Co
1,5
≤0,05
9,0
3,5
5,0
1,0
1,0
<0,05
9,0
1,0
4,0
0,5
7,0
≤0,5
≤0,05
8,5
1,0
5,0
0,5
Op2b
1,2
975
10,5
6,5
≤0,5
0,15
7,0
1,0
3,0
0,5
G1
G2
G1b
47,2
19,9
0,6
2585
1790
850
66,0
33,0
8,5
90,0
34,5
2,5
66,0
4,5
0,5
9,20
0,35
0,20
18,0
14,5
3,0
3,0
1,5
<0,5
0,5
3,0
2,0
1,5
1,0
0,5
G2b
2,5
1325
15,0
10,0
2,5
≤0,05
7,0
1,0
6,0
1,0
Brak
Brak
3000
1000
20
1000
800
500
300
*)
Wartości graniczne
*)
kategoria C (tereny przemysłowe, użytki kopalne, tereny komunikacyjne wg. Załącznika do
Rozporządzenia Ministra Środowiska z 2002).
Zawartości większości oznaczanych w czystej matrycy piaskowej metali ciężkich
nie przekraczały 1 mg/kg a podatność magnetyczna wynosiła 0,25 × 10-8 (m3kg-1).
Jedynie zawartość żelaza wynosiła 695 mg/kg. Po roku depozycji zanotowano wzrost
zawartości niektórych metali ciężkich w badanych próbkach. Widoczne jest to
zwłaszcza dla żelaza, manganu, cynku i miedzi w wierzchnich poziomach (Op1, Op2,
G1, G2), przy czym wyższe wartości obserwowane są w piasku pochodzącym
z poletka w Gliwicach (G) (Tab. 1). Brak lub minimalny wzrost zawartości metali
ciężkich wystąpił w uśrednionych próbkach pobranych z wnętrza pudełek (Op1b,
Op2b, G1b, G2b). Nie zanotowano tu również znaczących zmian wartości χ.
W Zabrzu zostały założone 3 poletka. Jedno 1 m, drugie 4 m i trzecie – 8 m od
drogi. Po roku depozycji obserwowany jest znaczny wzrost podatności magnetycznej
i zawartości metali ciężkich w próbkach pobranych z wierzchniej warstwy z poletka
usytuowanego ok. 1 m od drogi (Z1, Z2, Z3) (Tab. 2). Wartość podatności
magnetycznej z poziomu wyjściowego 0,25 podniosła się w nim nawet do 238 × 10-8
(m3kg-1). Znacznie wzrosła zawartość żelaza, manganu, cynku i ołowiu. Zawartość
pozostałych metali jest również większa.
W próbkach pobranych z wierzchniej warstwy z poletka usytuowanego 4 m od
jezdni (Z1 4m, Z2 4m) zanotowano wzrost zawartości żelaza, manganu, cynku
i ołowiu. Zawartości pozostałych metali wzrosły nieznacznie. Również tutaj
641
Charakterystyka aktualnych zanieczyszczeń komunikacyjnych wierzchnich warstw gleby …
obserwowana jest większa podatność magnetyczna jednak w mniejszym stopniu niż
w poletku zlokalizowanym bliżej drogi.
Najmniejsze zmiany obserwowane są w poletku znajdującym się 8 m od drogi (Z1
8m, Z2 8m). Wystąpił tu jedynie niewielki wzrost zawartości żelaza, manganu
i cynku.
We wszystkich próbkach pobranych z wnętrza pudełek (Z1b, Z2b, Z3b, Z1b 4m,
Z2b 4m, Z1b 8m, Z2b 8m), niezależnie od odległości od drogi obserwowano jedynie
niewielkie zmiany zawartości metali ciężkich oraz wartości podatności magnetycznej.
Świadczy to o tym, że większość zanieczyszczeń komunikacyjnych zdeponowanych
w piasku znajdującym się w poletkach zatrzymywana jest w pierwszych ok. 2 cm
piasku wystawionego bezpośrednio na emisje. Brak migracji zanieczyszczeń w
głębsze partie ma związek z bardzo małą sumą opadów w roku, w którym miała
miejsce depozycja.
Tabela 2. Masowa podatność magnetyczna oraz zawartości metali ciężkich w piasku z poletka w
Zabrzu (Z) po roku depozycji
Nr
próby
mg/kg
χ
×10–8(m3kg-1)
Fe
Z1
238,4
11650
Z2
160,6
Z3
148,2
Z1b
4,55
Z2b
Z3b
Cd
Cu
Cr
Ni
Co
451,5 495,0 109,5
2,30
34,0
13,0
10,5
3,5
13175
430,0 480,0
92,5
1,90
64,0
13,5
13,0
3,5
6875
225,5 225,0
41,0
1,10
16,0
6,5
7,0
2,5
1035
26,25
19
4,25
<0,05
3,75
0,75
2,5
1
1,35
880
11,75
8,25
2,5
<0,05
4,25
0,5
4
0,5
3,45
1070
22,5
15,25
3,5
<0,05
5,25
0,75
3
1
Z14m
51,2
2830
101,0
62,5
13,5
0,30
7,0
3,0
3,0
1,0
Z2 4m
52,4
3325
98,0
110,0
23,5
0,55
16,5
3,0
3,0
1,5
Z1b 4m
1,0
845
11,0
7,5
3,0
<0,05
4,5
0,5
1,5
0,5
Z2b 4m
1,5
960
14,0
7,0
2,0
<0,05
5,0
0,5
2,5
0,5
Z1 8m
10,6
1985
54,5
59,0
10,0
0,20
17,0
1,5
2,5
1,0
Z2 8m
6,9
1365
28,5
23,0
4,5
0,25
7,0
1,0
2,0
1,0
Z1b 8m
1,5
1055
14,5
12,5
2,5
<0,05
9,0
1,0
2,5
1,0
Z2b 8m
2,4
Wartości graniczne*)
Mn
Zn
Pb
845
11,5
10,0
2,0
<0,05
5,0
0,5
2,0
1,0
Brak
Brak
3000
1000
20
1000
800
500
300
*)
kategoria C (tereny przemysłowe, użytki kopalne, tereny komunikacyjne wg. Załącznika do
Rozporządzenia Ministra Środowiska z 2002).
Zarówno dla próbek z Opola i Gliwic, jak również dla próbek z Zabrza uzyskano
wysokie współczynniki korelacji pomiędzy wartością podatności magnetycznej
642
M. WAWER i in.
i zawartościami metali ciężkich. W przypadku żelaza, manganu, ołowiu, chromu
i kobaltu wynoszą one powyżej 0,9. Tak wysoka wartość współczynnika świadczy
o bezpośredniej zależności pomiędzy występowaniem ferromagnetyków i metali
ciężkich w piasku z poletek. Wiele wskazuje na to że technogeniczne cząstki
magnetyczne są nośnikiem metali ciężkich, co stwierdził również Bućko i in. [2].
5. WNIOSKI
Metale ciężkie zawarte w glebie w pasie przydrożnym są wynikiem nie tylko
wieloletniej depozycji cząstek pochodzących ze źródeł komunikacyjnych lecz mogą
być efektem naturalnej zawartości w złożonej matrycy jaką stanowi gleba lub grunt (w
pasie przydrożnym zazwyczaj nie występuje naturalna gleba lecz grunt
antropogeniczny). Powoduje to, że monitoring zanieczyszczeń komunikacyjnych
oparty o analizę gleb w bezpośrednim sąsiedztwie szlaków komunikacyjnych nie jest
miarodajny. Ponadto nie pokazuje struktury emitowanych aktualnie zanieczyszczeń,
a efekt wieloletniej akumulacji pochodzącej z okresów kiedy zarówno
w samochodach jak i paliwach stosowano inne technologie i materiały.
Badania wykazały, że piasek kwarcowy stanowi dobrą matrycę dla depozycji
pyłowych zanieczyszczeń komunikacyjnych. Efektem rocznej ekspozycji piasku jest
znaczny wzrost podatności magnetycznej oraz zawartości metali ciężkich, zwłaszcza
żelaza, manganu, cynku i ołowiu. Charakterystyczne jest nie tylko zróżnicowanie
zawartości metali ciężkich związane ze wzrostem odległości od drogi ale również
z głębokością. Największy wzrost koncentracji metali ciężkich obserwowany jest
w wierzchniej (2 cm) w odległości do 4 m od krawędzi jezdni. Wartości podatności
magnetycznej dobrze korelują z zawartością większości metali ciężkich.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
BECKWITH P.R., ELLIS J.B., REVITT D.M., OLDFIELD F., Heavy metal and magnetic
relationships for urban source sediments, Phys. Earth Planet Interiors, 1986, 42, 67-75.
BUĆKO M.S., MAGIERA T., PESONEN L.J., JANUS B., Magnetic, geochemical, and
microstructural characteristics of road dust on roadsides with different traffic volumes—case study
from Finland, Water, Air, & Soil Pollution, 2010, Vol. 209, 295-306.
FERGUSSON J. E., Lead: petrol lead in the environment and its contribution to human blood lead
levels. Science of the Total Environment, 1986, 50, 1–54.
HO Y. B., TAI K. M., Elevated levels of lead and other metals in roadside soil and grass and their
use to monitor aerial metal depositions in Hong Kong, Environmental Pollution, 1988, 49, 37–51.
HOFMAN M., WACHOWSKI L., Badania zawartości platyny i ołowiu w glebie wzdłuż głównych
dróg wylotowych z Poznania, Ochrona Środowiska, 2010, Vol. 32 Nr3, 43-47.
HOFFMANN V., KNAB M., APPEL E., Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution,
Journal of Geochemical Exploration, 1999, 66, 9.313-326.
Charakterystyka aktualnych zanieczyszczeń komunikacyjnych wierzchnich warstw gleby …
643
[7]
HUNT A., JONES J. M., OLDFIELD F., Magnetic measurements and heavy metals in atmospheric
particulates of anthropogenic origin, Science of the Total Environment, 1984, 33, 129–139.
[8] KOWALSKA J., ASZTEMBORSKA M., GOLIMOWSKI J., Dlaczego pilnie obserwujemy
nanogramowe zawartości platyny w środowisku, Analityka, 2008, 2, 47-51.
[9] MAGIERA T., STRZYSZCZ Z., RACHWAŁ M., Mapping particulate pollution loads using soil
magnetometry in urban forests in Upper Silesia Industrial Region, Poland, Forest Ecology and
Management, 2007, 248, 36–42.
[10] MERKISZ J., Wpływ motoryzacji na skażenie środowiska naturalnego, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, ,17. Poznań. 1994.
[11] MOTELICA – HEINO M., RAUCH S., MORRISON G.M., DONARD O.F.X., Determination of
palladium, platinum and rhodium concentrations in urban road sediments by laser ablation –
ICPMS, Analytica Chemica Acta, 2001, 436, 233-244.
[12] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby
oraz standardów jakości ziemi, Dz. U. Nr 165, poz. 1359 z dnia 4 października 2002.
[13] STRZYSZCZ, Z., Magnetic susceptibility of soils in the areas influenced by industrial emissions, In
R. Schulin (Ed.), Soil monitoring,1993 (pp. 255–269). Birkhäuser Verlag, Basel: Monte Verita.
[14] STRZYSZCZ Z., MAGIERA T., BZOWSKI Z., Magnetic susceptibility as an indicator of soils
contamination in some region of Poland, Roczniki Gleboznawcze (Soil Sci. Ann.) Suppl., 1994, t.
XLIV, Warszawa, 85-93.
[15] STRZYSZCZ Z., MAGIERA T., HELLER F., The influence of industrial immisions on the magnetic
susceptibility of soils in Upper Silesia, Studia geophysica. et geodetica., 1996, 40, 276-286.
[16] WARD N.I., BROOKS R.R., ROBERTS E., BOSWELL C.R., Heavy-metal pollution from
automotive emissions and its effect on roadside soils and pasture species in New Zealand, Environ.
Sci. Technol. 1977, Vol/Issue: 11:9.
CHARACTERISTICS OF CURRENT ROADSIDE POLLUTION OF SOILS IN UPPER
SILESIA
The aim of the study was qualitative recognition of contemporary roadside pollutants deposited on
topsoils in areas located in close vicinity to main roads. So far, the determination of pollutant content in
soil samples has shown only the amount of pollutants deposited on soils over long time period, without
the possibility to assess the quality changes in type of deposition and to determine the present structure of
roadside pollution. In order to recognize currently emergent threats of road traffic origin, three monitoring
plots filled with quartz sand had been installed in Zabrze, Gliwice and Opole close to arteries with high
traffic volume. For installation of monitoring plots 7 cm of topsoil had been removed and replaced by
boxes filled with clean quartz sand with known chemical composition and neutral magnetic properties
(diamagnetic). This sand was treated as neutral matrix for the accumulation of traffic pollution. The initial
results of chemical analyses obtained after the first 12 months of exposure revealed that contents of heavy
metals have considerably increased. Increase of magnetic susceptibility value were also observed.
Magnetic susceptibility values and heavy metal contents decreased with the distance from the road.